Ilustración de nanoluz direccional que se propaga a lo largo de una fina capa de trióxido de molibdeno. Crédito:Shaojuan Li
Un equipo de investigación internacional informa que la luz confinada en la nanoescala se propaga solo en direcciones específicas a lo largo de placas delgadas de trióxido de molibdeno, un material 2-D anisotrópico natural. Además de su carácter direccional único, este nanolight se propaga durante un tiempo excepcionalmente largo, y por lo tanto tiene posibles aplicaciones en el procesamiento de señales, detección y gestión del calor a nanoescala.
Las futuras tecnologías de la información y la comunicación dependerán de la manipulación no solo de electrones, sino también de la luz a escala nanométrica. Confinar la luz a un área tan pequeña ha sido un objetivo importante en nanofotónica durante muchos años. Una estrategia exitosa es el uso de polaritones, que son ondas electromagnéticas resultantes del acoplamiento de luz y materia. Se puede lograr una compresión de luz particularmente fuerte con polaritones a frecuencias infrarrojas en materiales 2-D, como el grafeno y el nitruro de boro hexagonal. Los investigadores han obtenido propiedades polaritónicas extraordinarias, como la sintonización eléctrica de polaritones de grafeno con estos materiales. pero siempre se ha encontrado que los polaritones se propagan a lo largo de todas las direcciones de la superficie del material, perdiendo energía rápidamente, lo que limita su potencial de aplicación.
Recientemente, Los investigadores predijeron que los polaritones pueden propagarse de forma anisotrópica a lo largo de las superficies de materiales 2-D en los que las propiedades electrónicas o estructurales son diferentes en diferentes direcciones. En este caso, la velocidad y la longitud de onda de los polaritones dependen en gran medida de la dirección en la que se propagan. Esta propiedad puede conducir a una propagación de polaritones altamente direccional en forma de rayos confinados a nanoescala, que podrían encontrar aplicaciones futuras en los campos de la detección, gestión del calor y computación cuántica.
Ahora, un equipo internacional dirigido por Qiaoliang Bao (Monash Engineering, Melbourne, Australia), Pablo Alonso-González (Universidad de Oviedo, España) y Rainer Hillenbrand (CIC nanoGUNE, San Sebastian, España) han descubierto polaritones infrarrojos ultraconfinados que se propagan solo en direcciones específicas a lo largo de placas delgadas del material 2-D natural trióxido de molibdeno (α-MoO 3 ).
"Encontramos α-MoO 3 ser una plataforma única para nanofotónica infrarroja, "dice Qiaoliang Bao.
"Fue increíble descubrir polaritones en nuestro α-MoO 3 copos delgados que viajan solo a lo largo de ciertas direcciones, "dice Weiliang Ma, estudiante de posgrado y co-primer autor.
"Hasta ahora, la propagación direccional de polaritones se ha observado experimentalmente solo en materiales estructurados artificialmente, donde el confinamiento máximo de polariton es mucho más difícil de lograr que en materiales naturales, "agrega el coautor principal Shaojuan Li.
Aparte de la propagación direccional, El estudio también reveló que los polaritones en α-MoO 3 puede tener una vida útil extraordinariamente larga. "La luz parece tomar una autopista a nanoescala en α-MoO 3 ; viaja a lo largo de ciertas direcciones sin casi ningún obstáculo, "dice Pablo Alonso-González, co-primer autor del artículo. Él añade, "Nuestras mediciones muestran que los polaritones en α-MoO 3 vivir hasta 20 picosegundos, que es 40 veces más grande que la mejor vida útil posible del polaritón en grafeno de alta calidad a temperatura ambiente ".
Debido a que la longitud de onda de los polaritones es mucho menor que la de la luz, los investigadores tuvieron que usar un microscopio especial, un llamado microscopio óptico de campo cercano, para imaginarlos. "El establecimiento de esta técnica coincidió perfectamente con la aparición de nuevos materiales de van der Waals, permitiendo la obtención de imágenes de una variedad de polaritones únicos e incluso inesperados durante los últimos años, "añade Rainer Hillenbrand.
Para una mejor comprensión de los resultados experimentales, los investigadores desarrollaron una teoría que les permitió extraer la relación entre el momento de polaritones en α-MoO 3 con su energía. "Nos hemos dado cuenta de que la luz comprimida en α-MoO 3 puede volverse 'hiperbólico, "hacer que la energía y los frentes de onda se propaguen en diferentes direcciones a lo largo de la superficie, que puede dar lugar a efectos exóticos interesantes en óptica como refracción negativa o superlente, "dice Alexey Nikitin, del Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC), quien desarrolló la teoría en colaboración con Javier Taboada-Gutiérrez y Javier Martín-Sánchez e investigadores postdoctorales del grupo de Alonso-González.
El trabajo actual es solo el comienzo de una serie de estudios centrados en el control direccional y la manipulación de la luz con la ayuda de polaritones de pérdida ultrabaja a nanoescala. lo que podría beneficiar el desarrollo de dispositivos nanofotónicos más eficientes para la detección óptica y el procesamiento de señales o la gestión del calor.
